Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory en de University of Tennessee hebben een zeldzame blik geworpen op de innerlijke werking van zelfassemblage van polymeren op een olie-water-interface om materialen te ontwikkelen voor neuromorfisch computergebruik en bio-geïnspireerde technologieën.

Resultaten gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society nieuwe inzichten verschaffen over de manier waarop moleculen zich inpakken en ordenen in "afstembare" interfaces, monolaag dikke oppervlakken met structuren die kunnen worden aangepast voor specifieke functionaliteiten.

"Het begrijpen van de ontwerpregels van de chemie die plaatsvindt op het vloeistof-vloeistof-interface, geeft uiteindelijk informatie over hoe we nieuwe materialen kunnen maken met aangepaste eigenschappen, " zei Benjamin Doughty van ORNL's Chemical Sciences Division.

De studie vergroot de interesse in het gebruik van zachte materialen om lipide dubbellagen na te bootsen - selectieve membranen met belangrijke biologische functies, zoals het verwerken van signalen over het neurale netwerk van de hersenen en het transporteren van ionen, eiwitten, en andere moleculen in cellen.

Co-auteurs ontwierpen eerder biomimetische membranen met behulp van lipide-gecoate waterdruppels in olie en toonden hun potentieel als sensorische componenten voor neuromorfe, of hersenachtig, computers met natuurlijke informatieverwerking, leren en geheugen.

"Omdat lipiden van nature kwetsbaar zijn en vervallen, we zijn geïnteresseerd in het ontwikkelen van op polymeren gebaseerde tegenhangers die stabiliteit bieden en ons ook een reeks natuurlijke functionaliteiten kunnen bieden, " zei Pat Collier van ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Zonder kennis van grensvlakchemie, echter, het creëren van functionele dubbellagen uit natuurlijke of synthetische moleculen brengt een zekere mate van mysterie met zich mee. Chemische soorten die in een beker met oplossing interageren, kunnen al dan niet analoge membranen vormen met selectieve eigenschappen, zoals het vermogen om zintuiglijke impulsen op te slaan of te filteren die deel uitmaken van de niet-digitale taal van neuromorfisch computergebruik.

"Om moleculen te kunnen trainen voor specifieke doeleinden en nieuwe functionaliteiten te ontsluiten, we moeten begrijpen wat er op moleculair niveau gebeurt tijdens zelfassemblage, ' zei Collier.

Voor het experiment, onderzoekers kozen voor een oligomeer, een kleine polymeervariant met een vergelijkbare structuur als natuurlijke lipiden, en gebruikte oppervlaktespectroscopiemethoden om de moleculaire monolaag - één kant van een dubbellaag - gevormd tussen water en olie te onderzoeken.

Het ORNL-team is een van de weinige groepen die de vloeistof-vloeistof-interface hebben onderzocht, een belangrijk onderzoeksgebied, maar onderbelicht vanwege technische uitdagingen.

"Ons doel was om te onderzoeken hoe de asymmetrie op het olie-watergrensvlak ervoor zorgt dat soorten anders adsorberen, inpakken en bestellen tot een functioneel ontwerp, ' zei Doughty.

Het bestudeerde oligomeer is een amfifiel molecuul, wat betekent dat delen van de structuur hydrofoob zijn, terwijl andere hydrofiel zijn. Wanneer in olie gestabiliseerde monsters in een oplossing op waterbasis worden gebracht, de moleculen assembleren zichzelf als reactie op hun gemengde aantrekking en afstoting voor water.

Like goes to like—the oligomers' slightly charged polar heads want to be in the water phase, which is also polar, and the nonpolar tails want to be in the oil phase, which is not.

"Being able to observe in real time how these molecules arrange at a varied interface is a broadly applicable fundamental scientific accomplishment, " Doughty said.

As shown in the animation, the charged oligomer heads home in on the water phase; but the flexible tails coil up in the oil when they have room to spare, or tighten to accommodate neighbors as the interface becomes crowded.

"We discovered that adjusting the ions, or charged particles, in the water phase aided in the formation of well-defined interfaces, with oligomers taking on more tightly coiled structures, " Doughty said.

Too few ions and the tails spread out loosely, leaving gaps; too many, and they squeeze in, ballooning from the surface.

"The findings point to approaches for modifying the size and shape of monolayers, and—at the next stage—enabling bilayers with asymmetrical designs, just like natural lipids, " Collier said. "The work brings us a step closer to unlocking new potentials in biomaterials."

Tailoring surfaces on a molecular level to design new materials opens possibilities not only for biocomputing but also broadly for chemical separations, sensing and detection.

"Observing the liquid-liquid interface helps us understand the chemistry that drives all of these technologies, " said Doughty.